JP5814556B2

JP5814556B2 - 信号処理装置

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Publication number: JP5814556B2
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Inventors: 長永　兼一; 兼一長永; 宏文瀧; 佐藤　亨; 佐藤　　亨
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Description

本発明は、弾性波である超音波を用いて試料の断層像もしくは三次元像を取得する信号処理装置、超音波装置にかかり、特に高反射体などの特異領域の検出を行なう信号処理装置、超音波装置に関する。

従来の一般的な弾性波である超音波を用いて断層像を得る装置は、弾性波である超音波を試料に送信するための送信部と、反射波を受信するための受信部と、送受信波を走査するための走査手段とを有する。さらに、受信した反射信号を輝度信号に変換、可視化するための手段が設けられる。そして、以上の手段によって得られた時系列断層画像を用いて試料の内部を観察することが行われている。また、上記装置の一つの形態においては、上記走査手段によって超音波を上下左右に走査し三次元像を得ることも行われている。

ところで、超音波による観察の検査対象物の１つとして生体が挙げられる。超音波が有するリアルタイム性、簡便さ、非侵襲性などが有利な点となり、生体の内部を観察するのに超音波がよく用いられている。

生体内を観察するのに用いられる超音波は、複数の電気機械変換素子（主には圧電素子、容量型超音波変換素子等）によって送受信される。

送信時は、フォーカス位置において超音波の位相が一致するように時間をずらして複数の素子に電気信号を与えることで、フォーカス位置において収束する超音波を発生させる。このような駆動により発生した超音波が通過する領域は、駆動した複数素子の中央の位置とフォーカス位置とを結んだ直線を中心とする領域となり、当該領域を通過するように送信ビームを形成する。受信時は、受信した超音波により複数の素子で発生した電気信号に対して、フォーカス位置に対応する時間遅れを補正し加算することで、フォーカス位置における超音波の反射信号の取得を行なう。複数の素子からの電気信号を加算したものは超音波の波形を保持した受信波形データとなる。次にこの受信波形データの包絡線を取得すること（包絡線検波ともいう）で受信波形データを強度データに変換する。最終的にこの強度データを表示する画像のピクセルに合わせてデータの間引きや丸め、さらに必要に応じて補間を行なうことで画像を形成する。なお、受信時のフォーカス位置はリアルタイムに変化させることが可能である。また、先ほどの送信ビームに対して、受信処理によって生じるフォーカス位置の領域が受信ビームが通過する領域となる。

このような送受信の制御を行なうことで、超音波診断装置は観察したい部分に対して超音波を送信し、その反射波を受信し、生体内部を画像化することが可能となる。なお、これらの送信ビームならびに、受信ビームによって取得される直線状の領域を走査線と呼び、この走査線のデータを複数本並べることで画像を形成する。

上記のような原理によって超音波は生体内を非侵襲的に画像化することができるため、体内の様々な様態を検出する目的で超音波は広く使われている。その中の一つに結石のような高反射体の検出がある。医療現場でよく行なわれている結石の検出方法の一つは、結石の後方側、つまり探触子から遠い側、より深い部位の画像に音響陰影が生じているかどうかによって、結石を検出する手法である。なお音響陰影とは高反射体の後方には超音波パルスが届かず、また受信ビームが高反射体で遮られるため、高反射体の後方の画像が形成されず生じる影の部分である。

特許文献１では、走査線の密度を設定するために、隣接する走査線の相関を取得し、その結果によって送信ビームフォーマもしくは受信ビームフォーマを制御する超音波装置が開示されている。また、特許文献２では、画像データに基づいて組織の輪郭を抽出する超音波装置が開示されている。さらに特許文献３には、被検体内部に弾性波のビームを走査して複数の走査線の受信波形データを取得し、該複数の走査線の受信波形データから前記被検体の断層像を形成するために信号処理を行う信号処理装置であって、第１の走査線と、該第１の走査線と所定の相関を有する第２の走査線との間の受信波形データの相関値を、該走査線上の複数の位置について、算出する走査線間相関算出部と、前記走査線上の複数の位置の中から、前記相関値が所定の値と異なる値となる位置を、特異領域が存在し得る位置として抽出する相関変化位置抽出部と、を備える信号処理装置が開示されている。

また特許文献４では、反射波の位相情報を用いることにより断層像における線状境界あるいは３次元情報における境界面を検出する超音波映像化装置が開示されている。具体的な手段としては、指定された位置から走査線同士の相互相関関数が最大となる時間を求め、その時間から求められる位置をつなぐことで被検体内の輪郭情報及び物体の連続する境界を表示するものが開示されている。

非特許文献１では隣接走査線間での相関値を求め、同じ深さにおける相関値の変化（低下）から結石位置の抽出を行なう手法が開示されている。また、同じ深さにおける相関値の変化に対してパターンマッチング法を適用することで結石抽出の位置精度を向上させる手法も開示されている。

特開２００３−３３９６９６号公報特開２００５−１６９１５５号公報特開２０１０−０５１７８２号公報特開平４−３１７６４１号公報

瀧宏文，松田哲也，佐藤亨，"微小結石検出のためのエコー信号間の相互相関とフィルタを用いた医用超音波イメージング法"，日本音響学会講演論文集，2009年3月

しかしながら、高反射体の位置、大きさ、形状によっては上記の音響陰影が生じにくい場合があり、その際には高反射体の抽出は困難となる。一つには先ほども述べた受信時のフォーカス位置をリアルタイムに移動する技術を採用する場合である。この技術は観察対象の全ての深さにおいて受信ビームを細くすることが可能であり、そのため画像全体の解像度が向上する効果を有する。図１を参照して説明する。図１において１００は高反射体、１０１は受信フォーカス、１０２は受信ビームである。例えば高反射体１００よりも深い位置に受信フォーカス１０１を設定した場合、高反射体が存在する深さでは受信ビーム１０２の幅が広がり、その結果高反射体の横をすり抜けた超音波を受信してしまう。それゆえ、高反射体１００による音響陰影が生じにくくなり、音響陰影の探索は難しくなる。また高反射体の大きさや形状によっては高反射体にフォーカスしたビームの反射波（反射エコー又は反射信号ともいう）の強度が小さくなる場合がある。例えば高反射体の大きさが小さい場合（例えば高反射体の形状を球で近似した場合に直径が１ｍｍ以下である場合）には検出器で検出される反射波の強度が小さくなる。また形状が不均一（一部に平面や凹凸を含む場合、非対称な形状の場合等）であって最も反射率の高い反射面が検出器側に
存在しない場合には検出器で検出される反射波の強度が小さくなる。即ち高反射体であっても検出信号は小さい場合がある。このような場合は高反射体が存在する位置とその周囲とで得られる反射波の信号強度の差が小さくなる。

さらに、先述の通り、最終的な画像データは、素子毎に受信した超音波信号を次のように加工することで得られる。即ち、（１）時間遅れ補正ならびに加算処理によって受信波形データと、（２）包絡線の取得により強度データとを得て、（３）強度データに対する間引き・丸め・補間を行い、画像データを得る。しかし、このような処理過程で、超音波信号から多くの情報が失われてしまう場合がある。例えば、高反射体からの反射エコー強度と面状の組織界面からの反射エコー強度とが同程度である場合、画像上では組織界面からの反射エコーの中に高反射体からの反射エコーが埋もれてしまう場合がある。図２から図４はその様子を模式的に示した図である。図２は模擬的な組織１０３の中に高反射体１０４を設置したものである。模擬的な組織１０３の上面に超音波探触子００１を設置し、超音波の送受信を行なう。図２中のＡ−Ａ´、Ｂ−Ｂ´、Ｃ−Ｃ´の深さからの反射エコー強度を模式的にプロットしたグラフが図３である。図３のグラフ中、横軸の中央付近に高反射体が設置されている。グラフを見て分かるように高反射体からのエコーは周辺組織の反射エコーから突出している。次に、図４は、高反射体を設置せずに層状の組織１０５を設置した模擬的な組織１０３である。層状の組織１０５は高反射体よりも反射率が低く設定されている。図４中のＡ−Ａ´、Ｂ−Ｂ´、Ｃ−Ｃ´の深さからの反射エコー強度を模式的にプロットしたグラフを、図３に重畳して表示する。図３のグラフ中、凡例「高反射体Ａ−Ａ´」で示される実線は、先に説明したように、高反射体からの反射エコー強度をプロットしたものである。このグラフを見て分かるように、反射率の低い層状の組織からの反射エコー強度であっても、反射率の高い高反射体からの反射エコー強度と同程度の強度を有している。このように、反射エコーの強度のみでは高反射体が存在するのかそうでないのかを判別することは難しい。即ち高反射体が存在しない場合でもある程度の強度を有する信号が検出される場合がある。

さらに、微小散乱体からの反射エコーの干渉によってスペックルパターンが生じ、その中に高反射体の反射エコーが混在する場合には、微小散乱体のみに起因する信号を選択的に抽出して他の信号と鑑別することは困難である。特に高反射体が小さく点状のエコーとして画像上に現れる場合は高反射体の鑑別がより困難となる。

なお、特許文献４に記載されている超音波映像化装置は、指定された位置から走査線間の相互相関関数が最大となる時間ずれを有する位置を求め、この位置をつないで境界を表示しようとする装置である。従って、高反射体が点状のエコーとして存在する場合（隣接する走査線上にエコーが検出されない場合）には、当該点状のエコーにはつなぐべき他の位置が周囲に存在しない（高反射体位置の一点が存在するのみ）こととなる。このため、特許文献４に記載されている手法を適応して高反射体を抽出することは困難である。
上記のような場合に、高反射体の有無ならびに位置情報を抽出するには、画像データを使用するよりもさらに高反射体特有の特徴を考慮した感度の高い技術が必要となる。

また、非特許文献１に記載されている結石位置抽出の技術は同じ深さ位置の相関値を用いて結石位置を抽出する技術である。この技術を、結石が存在せず、反射超音波が少ない深さに対して適用することを考える。その場合、反射超音波が少ないことから信号のＳＮ比が低く、結石が存在しない領域であっても隣接走査線間の相関値を低く算出する可能性がある。その結果、結石位置抽出の精度が低下し、不安定な位置抽出の結果となる可能性がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、弾性波の受信波形データから高反射体、特に微小な高反射体などの特異領域の存在し得る位置を精度良く安定的に検出可能な技
術を提供することを目的とする。

本発明は以下の構成を採用する。すなわち、
被検体内部に弾性波のビームを走査して、複数の走査線の受信波形データを取得する振動子と、
前記複数の走査線の受信波形データから信号強度を算出し、算出した信号強度が第１の所定の値よりも高い位置を高強度位置として出力する信号強度判定部と、
前記複数の走査線から第１の走査線および前記第１の走査線と所定の相関を有する第２の走査線を選択し、前記第１および第２の走査線上の複数の一定幅の区間において、前記第１の走査線および前記第２の走査線の受信波形データ間の相関値を算出する走査線間相関算出部と、
前記複数の一定幅の区間のうち、前記相関値が第２の所定の値よりも低い区間において、前記信号強度判定部から出力された高強度位置に対応する位置を、特異領域が存在し得る候補位置として抽出する相関変化位置抽出部と、
前記複数の走査線の受信波形データから前記被検体の断層像を形成するために信号処理を行う画像処理部と、
を備え、
前記走査線間相関算出部は、前記複数の一定幅の区間のうち、前記信号強度判定部から出力された高強度位置に対応する位置を含む区間における相関値のみを算出する
ことを特徴とする信号処理装置である。
また、被検体内部に弾性波のビームを走査して、複数の走査線の受信波形データを取得する振動子と、
前記複数の走査線の受信波形データから信号強度を算出し、算出した信号強度が第１の所定の値よりも高い位置を高強度位置として出力する信号強度判定部と、
前記複数の走査線から第１の走査線および前記第１の走査線と所定の相関を有する第２の走査線を選択し、前記第１および第２の走査線上の複数の一定幅の区間において、前記第１の走査線および前記第２の走査線の受信波形データ間の相関値を算出する走査線間相
関算出部と、
前記複数の一定幅の区間のうち、前記相関値が第２の所定の値よりも低い区間において、前記信号強度判定部から出力された高強度位置に対応する位置を、特異領域が存在し得る候補位置として抽出する相関変化位置抽出部と、
前記複数の走査線の受信波形データから前記被検体の断層像を形成するために信号処理を行う画像処理部と、
を備え、
前記信号強度判定部は、前記第１の所定の値よりも高い信号強度のうち、最も小さい信号強度を閾値信号強度として出力し、
前記走査線間相関算出部は、前記相関値に加えて、前記一定幅の区間に含まれる前記第１の走査線と前記第２の走査線の信号電力を算出し、
前記相関変化位置抽出部は、前記算出された信号電力および前記閾値信号強度を用いた所定の条件により選択された相関値のみを用いて得られた相関値の平均値と標準偏差を用いて、前記第２の所定の値を決定する
ことを特徴とする信号処理装置である。
また、被検体内部に弾性波のビームを走査して、複数の走査線の受信波形データを取得する振動子と、
前記複数の走査線の受信波形データから信号強度を算出し、算出した信号強度が第１の所定の値よりも高い位置を高強度位置として出力する信号強度判定部と、
前記複数の走査線から第１の走査線および前記第１の走査線と所定の相関を有する第２の走査線を選択し、前記第１および第２の走査線上の複数の一定幅の区間において、前記第１の走査線および前記第２の走査線の受信波形データ間の相関値を算出する走査線間相関算出部と、
前記複数の一定幅の区間のうち、前記相関値が第２の所定の値よりも低い区間において、前記信号強度判定部から出力された高強度位置に対応する位置を、特異領域が存在し得る候補位置として抽出する相関変化位置抽出部と、
前記複数の走査線の受信波形データから前記被検体の断層像を形成するために信号処理を行う画像処理部と、
を備え、
前記複数の一定幅の区間の中に、前記相関変化位置抽出部により抽出された候補位置が含まれる区間が存在する割合が、第３の所定の値を超えるかどうかを判定する相関変化継続性判定部をさらに備える
ことを特徴とする信号処理装置である。

本発明によれば、弾性波の受信波形データから高反射体、特に微小な高反射体などの特異領域の存在し得る位置を精度良く安定的に検出することができる。

図１は受信ビームの幅の広がりを説明するための図である。図２は高反射体が存在する擬似組織モデルを示す図である。図３は高反射体が存在する場合の反射エコー強度を示す図である。図４は層状の組織が存在する擬似組織モデルを示す図である。図５は候補位置を示すフローチャートの一例である。図６本発明の実施例１の超音波装置のブロック図である。図７は相互相関を算出する手法を説明する図である。図８は隣接する走査線について説明するための図である。図９は受信した信号強度を模式的に示した図である。図１０Ａ，Ｂは断層像および高反射体の位置情報の表示例である。図１１Ａ，Ｂはそれぞれ信号強度と相関値をプロットした図である。図１２Ａ，Ｂは相関値のヒストグラムを示した図である。図１３は本発明の実施例２の超音波装置のブロック図である。図１４は本発明の実施例３の超音波装置のブロック図である。図１５は本発明の実施例４の超音波装置のブロック図である。図１６Ａ，Ｂは実施例４の効果を説明する図である。

本発明において弾性波とは超音波を含む振動波を意味する。

本発明において特異領域とは、被検体内において周囲とは異なる状態の領域をいう。例えば周囲と組成、構造、物性等が異なる領域であって、層状組織を有する領域や典型的には石灰化等により超音波に対して高反射体となっている領域をいう。

本発明において検出する１つの目標である微小な高反射体の大きさは、当該高反射体を球の形状で近似した場合に当該球の直径が２ｍｍ以下のものをいう。さらに１ｍｍ以下、特に１００μｍ以下のものをいう。微小な高反射体を球の形状で近似した場合に当該球の
直径が２ｍｍ以下になると、従来の方法では、反射波自体が小さくなり検出が困難になる、或いは反射波の信号が周囲の信号に紛れて鑑別が困難になる。

本発明において、信号強度とは、受信波形データの包絡線から得られる振幅をいう。

また本発明においては、信号強度が高い位置を含む一定幅の区間で算出された走査線間の相関値（相互相関値）の低下する位置を抽出することで高反射体の有無の検出を行う。このような信号強度が高い部分を含む区間のデータを用いることで、ＳＮ比の低い信号を用いて相関値を算出することを避けることが可能になる。そのため、走査線間の相関値を精度良く求めることができ、相関値が低下する位置を安定して抽出できる。

高反射体のない領域においてある一定以上の相関値を有している走査線同士のデータを使用すれば、微小な高反射体の検出が可能である。発明者らの知見によれば、例えば、０.５程度の相互相関を有する走査線同士であっても高反射体の検出が可能である。

高反射体の検出の精度を向上させるためにはさらに相互相関の高い走査線を用いるのが好ましい。例えば近接する２本の走査線又は隣接する２本の走査線が相互相関の高い走査線となり得る。

本発明において上記相互相関を算出する対象となる第１の走査線と第２の走査線との関係は以下の条件を満たす関係にあるものを意味する。即ち上記第１の走査線と第２の走査線との相関値は、被検体内の高反射体が存在しない領域において第１の走査線と第２の走査線との相関値が０．５以上である関係にあるものである。そして当該相関値は好ましくは０．７以上、最適には０．９以上であることが本発明においては適している。

ここで上記第１の走査線と第２の走査線との相関値についてさらに説明する。第１の走査線と第２の走査線との相関値が１．０である場合、第１の走査線と第２の走査線とは同一の波（信号）であることを意味する。また第１の走査線と第２の走査線との相関値が０である場合は第１の走査線と第２の走査線とは大きく（典型的には全く）異なる波（信号）であることを意味する。そして走査線の間の相関値が高いほど、反射波（反射エコー）の発生した領域の音響インピーダンスの分布の状態が類似していることを意味する。超音波による画像化を行う場合、隣接する走査線はビーム幅の範囲内で重複する領域があると相関値が一定の値を有するため、ビーム幅の範囲で重複する領域が得られるビーム間隔でビームを送信することが好ましい。

本発明は前記相関値が０．５以上である場合に、高反射体により、一方の走査線が反射された場合に、前記相関値（高反射体により反射される前の相関値）と高反射体の位置よりも深い位置での第１の走査線と第２の走査線との相関値との有意差を得ることができる。

また本発明は、被検体内で一定の反射率を有する反射体として高反射体（特に微小な石灰化部分等）と層状組織との鑑別が可能である。なお、大きな高反射体は従来の手法であっても反射が大きい領域が大きい為鑑別可能である。

本発明によれば近接または隣接する走査線間の相関値の変化から高反射体又は層状組織が存在し得る位置を特定することができる。即ち、（微小な）高反射体の場合には近接または隣接する２本の走査線のうち一方のみが当該（微小な）高反射体の位置を通過し、他方は高反射体の位置を通過しない。送信した超音波が高反射体の位置を通過する際には、高反射体で反射されると共に高反射体を通過することになる。通常の生体内での超音波はボルン近似が成立し、波形が歪むことなく減衰するが、高反射体ではクリーピング波の発
生、高反射体内を通過する音速の早い波の存在、回折や高反射体内での多重反射などによって、波形が歪む。そのため、高反射体の位置を通過した超音波と高反射体の位置を通過しない超音波とでは波形が変化し、相関値が低下する。これに対して層状組織の位置を通過する場合は、ボルン近似が成立するため、波形の歪みが生じることはなく相関値はほとんど変化しない。

このように本発明によれば高反射体又は層状組織の存在する位置を基準として、近接または隣接する２本の走査線の相関値が小さくなった場合には高反射体であり、変化がない、又は少ない場合には層状組織であると鑑別し得る。そして本発明の信号処理装置又は超音波装置には必要に応じて上記鑑別方法に基づいて高反射体と層状組織とを鑑別する鑑別部を設けることができる。

本発明者らの知見によれば、上記第１の走査線と第２の走査線とは互いに相関が強い（大きい）関係にあることが好ましく、典型的には隣接している２本の走査線が好ましい。しかし、前記相関値の関係を満たす場合には、第１の走査線と第２の走査線とは必ずしも隣接している必要は無く、これらの走査線の間に別の走査線が存在していても良い。従って上記関係を満たす範囲で近接する２本の走査線も利用することができる。

図５に本発明の高反射体の候補位置を求める際の一手順を説明するフローチャートを示す。

まず、走査線を形成（Ｓ４００）する前提として、高反射体のない領域での第１の走査線と第２の走査線との間の相関値は０．５以上であることが必要である。次いで上記条件を満たす送信ビームを形成し、被検体に送信する（Ｓ４０１）。被検体内の特定の位置からの反射波を受信（Ｓ４０２）する。受信波形の信号強度を算出し（Ｓ４０３）、あらかじめ設定した設定値と比較する（Ｓ４０４）。比較結果が所定の条件を満たさない場合には、次の走査線を形成する。信号強度の比較結果が所定の条件を満たした場合は、相関値を算出し（Ｓ４０５）、あらかじめ設定した設定値と比較する（Ｓ４０６）。比較結果が所定の条件を満たす場合には位置情報を取得する（Ｓ４０７）。比較結果が所定の条件を満たさない場合には、（Ｓ４００）に戻って次の走査線を形成する。Ｓ４０７の工程で位置情報を取得した後に当該情報を画像に重畳する（Ｓ４０８）。

上記手順は一例であって本発明は上記手順に限られるものではない。例えば、信号強度の算出（Ｓ４０３）と比較（Ｓ４０４）に対して、相関値の算出（Ｓ４０５）と比較（Ｓ４０６）は互いに、手順の交換が可能である。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。また弾性波として超音波を用いた装置、方法について説明する。

＜実施例１＞
以下、実施例１では信号強度が高い位置を含む領域の隣接する走査線の相互相関を算出し、相関が設定値以下になる位置情報を示す超音波装置について説明する。

図６は本発明の実施例１に係る超音波装置のシステム概略図である。この超音波装置は、通常の超音波断層像を生成・表示するための機能と、生体内の高反射体を検出し、その存在位置の候補を表示するための機能（走査線間相関算出部００９、相関変化位置抽出部０１０、信号強度判定部０１１）とを有する。後者の機能は、例えば結石や微小石灰化領域の検出などに利用される。

（断層像の生成・表示）
まず、図６を用いて断層像を表示するまでの流れを説明する。本実施例の超音波装置は複数の振動子００２を有する超音波探触子００１が接続されたシステムである。超音波を送信する位置（送信フォーカス）が設定されると、システム制御部００４から送信回路系００３にその設定情報が送られる。送信回路系００３はその情報に基づいて、時間遅延ならびに強度を決定した後、超音波探触子００１内の複数の振動子００２を駆動するための電気信号を送信する。この電気信号は振動子００２において変位に変換され、被検体内部を超音波として伝播する。このようにして送信された超音波は被検体内で直線的な音圧分布を形成する。これを送信ビームと呼ぶ。被検体内を伝播した超音波は被検体内の音響的性質により散乱・反射されたエコーとして振動子００２に戻ってくる。このエコーが振動子００２により電気信号に変換され、受信回路系００５に入力される。受信回路系００５では、システム制御部００４から与えられた受信フォーカス位置に関する情報を元に時間遅延量を算出し、入力された時系列の電気信号に対して時間遅延処理を行なった後、それらを加算する。この処理によって被検体内の受信フォーカス位置における反射波（反射エコーともいう）を選択的に抽出することが出来る。このような処理によって形成される受信感度を有する領域を送信ビームに対して受信ビームと称する。

このようにして得られた時系列の受信波形データは受信回路系００５から断層信号処理系００６に送られる。断層信号処理系００６では、入力された時系列の受信波形データに対して必要であればバンドパスフィルタなどのフィルタ処理を行なった後、データの包絡線を検出し強度データとして出力する。この強度データは画像処理系（画像処理部）００７に送信される。画像処理系００７は、システム制御部００４から送られた送信ビームならびに受信ビームの位置情報と強度データとを使用して、表示画像のピクセルに合わせてデータを間引き、丸め、若しくは補間し、観察領域内の各位置での輝度信号を生成する。このような一連の動作によって１本の走査線に対する画像が形成される。送信ビームと受信ビームの方向や位置を変化させ、再度同様な処理を行なうことによって被検体内の違う領域に走査線を形成する。このようにして観察領域内に複数本の走査線を形成することで観察領域の断層像を形成することが可能となる。画像処理系００７は、このようにして得られた断層像を画像表示装置００８に送信し表示する。

なお、ここでは１本の送信ビームと１本の受信ビームによって形成される走査線を一例として説明した。しかし、本発明はこれに限らず、１回の送信に対して複数の受信ビームを形成して複数の走査線を同時に形成する手法にも本発明が適用可能である。また、本発明は２次元の断層像に限るものではなく３次元的な領域を観察する場合にも適用可能である。

（高反射体の検出・表示）
次に、図６から図９を用いて、高反射体を検出し、その存在位置の候補を表示するための処理について説明する。

図６に示すように、超音波装置は、走査線間相関算出部００９と相関変化位置抽出部０１０、信号強度判定部０１１とを備える。受信回路系００５によって生成された時系列の受信波形データが走査線間相関算出部００９と信号強度判定部０１１とに送られる。

走査線間相関算出部００９は、受信波形データとシステム制御部００４から送られる走査線位置の情報から、隣接する走査線間の時間軸に沿った相互相関を算出する。図７にその概念図を示す。第１の走査線の受信波形データ１０６の解析表現をＳ_１（ｒ）、隣接する第２の走査線の受信波形データ１０７の解析表現をＳ_２（ｒ）とする。走査線間相関算出部００９は、走査線上に注目位置（注目深さ）を設定し、それぞれの受信波形データから注目位置を基準とする所定幅の領域（一定幅の区間）の波形データを抽出する（切り出す）。そして、その抽出した（切り出した）受信波形データ間の相互相関算出１０８を行
なう。この演算により注目位置の相関値（相互相関値ともいう）が得られる。そして、注目位置を深さ方向に（受信波形データとしては時間軸方向に）移動させながら上記演算を繰り返すことで、走査線上の複数の位置（深さ）についての相関値を求めることができる。このように求めた相関値の深さ方向の変化を表すのが図７のグラフ１０９である。例えば、相関値は、数１のＹ（τ）のτに関する最大値として求める。

なお、z₁は注目深さ（注目位置）、z₂-z₁は相互相関を取得する区間幅を示す。注目深
さz₁を変化させることで違う位置の相関値を求める。τは送信する超音波の波長程度から波長の数十倍の範囲で設定される。

図７は、第１の走査線上に高反射体１００が存在している例を示している。高反射体１００よりも深い位置での相互相関１０９が低下することがわかる。

図８を用いて隣接する走査線について説明する。図８は超音波探触子００１と被検体内で形成された５本の走査線２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、さらに高反射体２００、層状組織２１０を模式的に表した図である。例えば走査線２０１のデータを取得した後、走査線２０２のデータを取得した場合、走査線２０１、２０２は互いに隣接しているため、走査線間相関算出部００９は走査線２０１、２０２間の相互相関を算出する。例えば走査線の取得順が走査線２０１、走査線２０３、走査線２０５、走査線２０２、走査線２０４という順であった場合は、走査線２０２を初めて取得した場合に隣接する走査線のデータを取得したことになる。従って、その時点で走査線間相関算出部００９が走査線２０１、２０２間の相互相関値を算出する。

走査線間相関算出部００９は２本の走査線の受信波形データの相互相関を時間軸に沿って（被検体の深さに沿って）算出する。隣接する走査線は観察領域の一部が互いに重なるように設定されているため、２本の走査線にまたがって層状組織が存在する場合、高い相関を示すのが一般的である。例えば走査線２０４と走査線２０５との相互相関は被検体の深い位置で層状組織２１０が存在する部分ではある一定以上の相関値を有する。しかし、走査線２０２と走査線２０３に注目すると、走査線２０３の途中に高反射体２００が存在する。このため、走査線２０２と走査線２０３の相互相関は、高反射体２００よりも深い部分では相互相関が低下する。このような性質を有する、場所ごとに求めた相関値を走査線間相関算出部００９から相関変化位置抽出部０１０に送信する。

図９は走査線２０１から２０５の送受信によって、信号強度判定部０１１において算出される信号強度２０１Ｂから２０５Ｂを模式的に示したものである。層状組織２１０、高反射体２００の位置で超音波が反射されるため、それらに対応する位置で信号強度が大きくなっている。信号強度判定部０１１では、撮像領域内の信号強度のうち、別途定められる割合で上位の信号強度を有する位置を抽出し、その位置情報を出力する。

発明者の知見によると、通常の超音波診断の画像において、結石などの高反射体の信号強度は撮像領域内で上位１０％に含まれることが多く、典型的には上位１％に含まれる。
そのため別途定める割合（第１の所定の値）は１０％もしくは１％、状況によっては０．５％などの値を設定可能である。なお、この割合を大きくした場合は、信号強度が小さい、より微小な高反射体を見つけることが可能であり、割合を小さくした場合は高反射体の位置抽出の特異度が高くなる。

例えば図９においては領域２１１Ｂや領域２１１Ｃにおける信号強度が高いため、これらの領域に関する位置情報が出力される。

ここで領域２１１Ａ，２１１Ｂ，２１１Ｃに注目する。２１１Ｂにおいては、高反射体が存在するため、ここまでに説明したように、走査線２０２と走査線２０３との相関値は低くなる。また領域２１１Ｃにおいては、層状組織が存在することから走査線２０４と走査線２０５との相関値は高くなる。ところが領域２１１Ａについては、層状組織などの反射体が無いため、受信される信号強度が低くなる。このような受信された信号強度が低い部分ではＳＮ比が悪いため、走査線間の相関値を算出した場合、隣接した走査線間であっても低い相関値が出る可能性がある。このような場合に生じる低い相関値は高反射体の位置抽出の精度ならびに安定性を損なう可能性がある。

相関変化位置抽出部０１０では、走査線間相関算出部００９から出力された位置ごとの相関値と信号強度判定部０１１から出力された位置情報とを受け取る。相関変化位置抽出部０１０は信号強度判定部０１１から出力された位置を相関窓（相関値を求める式中のz₁とz₂とで表せる深さ範囲）の中に含む相関値のみを抽出する。

この抽出した相関値の平均値よりもある一定以上低い相関値を有する位置情報を相関変化位置抽出部０１０は出力する。

このようにして抽出された相関値の集合は、ＳＮ比が悪い領域から求められた低い相関値を除いた状態になっている。そのため、低い相関値を有する位置が高反射体の存在位置である精度が向上し、より安定した抽出結果を得ることが出来る。

画像処理系００７は入力された位置情報を断層画像上に重畳し、画像表示装置００８に送信する。図１０Ａ、図１０Ｂは、相関変化位置抽出部から得られた位置情報の表示例であり、相関変化位置抽出部０１０から出力された位置を矢印２１１や線分２１２などのマーカーで表示した例を示している。なお、この他にも断層像の色相を変化させる、丸で囲むなど、検出された位置が操作者に伝わる表現であればどのようなものでもよい。

以下では、図１１，図１２を用いて、本実施例の効果について説明する。図１１Ａは生体を模したファントム中に層状組織を模した薄膜と、高反射体を模した３本のワイヤとを設置したものを超音波の送受信で画像化したものである。図中の白丸の中央付近に３点の高反射体が存在している。

走査線間相関算出部００９によって観察領域内の隣接走査線同士の相関値を求めた結果が図１１Ｂである。

層状組織を含む領域３０１では相関値が高く、層状組織がない領域３０２，３０３では相関値が比較的低いことが分かる。領域３０２，３０３はスペックルパターンが優位であり、層状組織などの反射超音波が比較的強い対象が存在しないため、隣接走査線の間の相関値であっても低い値になっている。

図１２Ａは観察領域内全ての相関値のヒストグラムである。この相関値には、先ほどの領域３０２，３０３の相関値も含まれている。それぞれに対応する位置情報とここで述べ
たような相関値が相関変化位置抽出部０１０に出力される。

信号強度判定部では、受信波形データから信号強度を算出し、上位の信号強度を有する位置情報（高強度位置）を出力する。

相関変化位置抽出部０１０では入力された相関値のうち、信号強度判定部０１１から入力された位置を含む領域の相関値のみを抽出する。このようにして抽出された相関値のヒストグラムの一例が図１２Ｂである。図１２Ａと図１２Ｂのヒストグラムとを比較すると、低い相関値の部分が大幅に減少していることが分かる。これはつまり層状組織や高反射体が存在しない領域、例えば図１１Ｂの領域３０２，３０３における相関値が低く算出されていたことを示している。

信号強度判定部０１１からの位置情報を用いることで、相関変化位置抽出部０１０においては高反射体とは無関係な低い相関値を除外することができる。相関変化位置抽出部０１０はこの抽出された相関値の中から設定値（第２の所定の値）よりも低い相関値を有する位置情報を出力する。なお、設定値には、例えば抽出された相関値の平均値から標準偏差のＸ倍を減じた値などを用いることができる。発明者の知見によるとＸの値は１から３が望ましいが、それ以外でも本発明の効果は得られる。

また、このＸの値は別途制御画面から入力される値に変更することも可能である。Ｘの値を小さくすれば、より高い感度で高反射体を検出可能である。Ｘの値を大きくすれば、より高い特異度で高反射体を検出可能となる。

本実施例では、観察領域内全てのデータに対して相関値を算出し、さらに上位の信号強度を有する位置を抽出したが、観察領域内の一部分に本発明を適用することも可能である。

また、高反射体の存在位置付近に送信ビームをフォーカスすると、高反射体の影響をより強く受けるため、大きく相関値が変化する（低下する）。そのため高反射体の候補位置を抽出した後、さらに送信フォーカスをその候補位置の近くに設定することで、より高い精度で高反射体の候補位置を抽出できる。

以上、説明したように本実施例においては、隣接する走査線の受信波形データの相関値を算出し、さらに観察領域内の上位の信号強度を有する位置情報に対応する領域の相関値を処理することによって、高反射体の存在位置候補を抽出することが出来る。

＜実施例２＞
以下、実施例２では、信号強度判定部からの位置情報で走査線間の相関値を求める場合の例について説明を行う。

図１３は本実施例のシステムの概要を示す図である。実施例１と違う部分に絞って説明を行う。

信号強度判定部０１１では、撮像領域内の信号強度のうち、別途定められる割合で上位の信号強度を有する位置を抽出し、その位置情報を走査線間相関算出部００９に出力する。走査線間相関算出部００９では、受信回路系００５から入力された受信波形データと信号強度判定部０１１から入力された位置情報を用いて、走査線間の相関値を求める。このとき、入力された位置情報で示された位置に対応した領域の受信波形データのみを用いて走査線間の相関値を算出する。算出された相関値は対応する位置情報と共に相関変化位置抽出部０１０に出力される。

相関変化位置抽出部０１０の処理ならびにその後の処理は実施例１と同様である。
信号強度判定部０１１では撮像領域内の上位の信号強度を有する位置情報、典型的には上位１０％以上の位置情報を出力する。そのため走査線間相関算出部００９では撮像領域内の１０％以下の領域の走査線間の相関を算出するだけでよい。走査線間の相関を求める計算は計算規模が大きいため、全ての撮像領域の相関を求めるのに比べて一部の領域の相関を求めればよい本実施例では、よりシステムのコンパクト化を行うことが可能で、低コストで超音波装置を提供できる。

＜実施例３＞
以下、実施例３では、観察領域内の上位の信号強度だけでなく、相関窓内の信号強度も使用する場合の例について説明を行う。

図１４は本発明の実施例３に係る超音波装置のシステム概略図である。
実施例１と実施例２と違う部分に絞って説明を行う。

断層信号処理系００６においてデータの包絡線を算出する。この包絡線の強度データを信号強度データとして信号強度判定部０１１に出力する。信号強度判定部０１１では観察領域内の上位の信号強度を有する位置情報を走査線間相関算出部００９に出力する。さらに信号強度判定部０１１は上位の信号強度のうち一番小さい閾値信号強度Itを相関変化位置抽出部０１０に出力する。

走査線間相関算出部００９では入力された位置情報で示された位置に対応した領域の受信波形データを用いて走査線間の相関値を算出する。また、相関値を算出する際に、数２、数３で示した電力Ｐ₁(z₁)、Ｐ₂(z₁)を求める。これらの相関値及び電力Ｐ₁(z₁)、Ｐ₂(z₁)を相関変化位置抽出部０１０に出力する。

このようにして相関変化位置抽出部０１０では、信号強度判定部０１１から上位の信号電力を有する位置情報と閾値信号強度Itとが入力され、走査線間相関算出部００９からは相関値と電力Ｐ₁(z₁)、Ｐ₂(z₁)が入力される。

相関変化位置抽出部０１０では、数４を満たす位置の相関値のみを抽出する。

αは１を超える任意の定数である。
この条件を満たす相関値を用いて、相関値の平均値と標準偏差を算出する。この平均値
と標準偏差を用いて、相関値の基準値を設定し、その基準値以下の相関値を有する位置情報を画像処理系００７へ出力する。

上記のような処理を行った際の効果について述べる。数４の左辺は２つの走査線における相関を算出する区間内の電力値の相乗平均になっている。この相乗平均の値が信号強度判定部０１１から出力された閾値信号電力Itの定数倍以上になるということは、２つの走査線のどちらにも比較的強い反射超音波が存在するか、相関を求める区間内に複数の層状組織が含まれていると考えられる。つまり数４を満たす位置で求めた相関値はＳＮ比が高い領域で、かつ層状組織からの反射波形を含む領域の相関値を優先的に抽出することになる。このような相関値の抽出を行うことで、相関値の平均値、標準偏差をより安定的に精度よく求めることができる。つまり、高反射体が存在する候補位置をより精度良く、安定的に抽出することができる。

本実施例では相乗平均と閾値信号電力とを比較したが、相加平均やそのほかの処理でも構わない。

＜実施例４＞
以下、実施例４では、相関変化位置抽出部からの位置情報を用いてさらに精度良く高反射体の候補位置を抽出する場合について説明する。

図１５は本発明の実施例４に係る超音波装置のシステム概略図である。
実施例３と違う部分に絞って説明を行う。

相関変化位置抽出部０１０からは実施例３と同様な処理で求められた位置情報が出力され、相関変化継続性判定部０１２に入力される。相関変化継続性判定部０１２では、入力された位置情報を含む相関値を算出するのに用いた区間幅（複数の一定幅の区間）の中に、相関変化位置抽出部０１０から出力された位置情報がどれだけ存在するかを判定する。その存在の割合が設定値を超えた場合に、最終的に高反射体が存在する位置候補として、その位置情報を相関変化継続性判定部０１２から画像処理系００７へと出力する。

図１６は本実施例の効果を説明する図である。図１６Ａのように隣接する走査線の一方に高反射体２００が存在する場合、隣接走査線間の相関値を求める区間を３０１のように動かしてそれぞれに相関値を算出してゆく。この場合、相関値を求める区間の中に高反射体が含まれている間、相関値は低い値を示す。つまり、信号強度が高い位置（この場合は高反射体の位置）を含む区間幅の中に、相関変化位置抽出部０１０から出力される位置情報が存在する割合が高い。

次に図１６Ｂのように、隣接する走査線の両方に層状組織２１０が斜めに存在する場合、隣接走査線間の相関値を求める区間を３０１のように動かしてそれぞれに相関値を算出していく。この場合、片側の走査線の相関値を求める区間には層状組織２１０が含まれているが、もう一方の走査線の区間には層状組織が含まれない状態が生じる。その際の相関値は低い値を示すことになる。しかし、２つの走査線の区間のいずれにも層状組織２１０が含まれる場合には、高い相関値が算出される。つまり、信号強度が高い位置（この場合は層状組織を含む位置）を含む区間幅の中に、一部の低い相関値と大部分の高い相関値を有することとなる。言い換えると、相関変化位置抽出部０１０から出力される位置情報が存在する割合が低い。

このことから、相関変化継続性判定部０１２で、区間幅の中に含まれる、相関変化位置抽出部０１０から出力された位置情報の割合が高いものを判定すれば、より精度よく高反射体の存在位置候補を抽出することができる。

発明者の知見によると割合の設定値（第３の所定の値）としては５０％以上が好ましい。この割合を高く設定すれば高反射体抽出の特異度が向上し、低く設定すれば感度が向上する。

００２：振動子，００３：送信回路系，００４：システム制御部，００５：受信回路系，００６：断層信号処理系，００７：画像処理系，００９：走査線間相関算出部，０１０：相関変化位置抽出部，０１１：信号強度判定部

Claims

被検体内部に弾性波のビームを走査して、複数の走査線の受信波形データを取得する振動子と、
前記複数の走査線の受信波形データから信号強度を算出し、算出した信号強度が第１の所定の値よりも高い位置を高強度位置として出力する信号強度判定部と、
前記複数の走査線から第１の走査線および前記第１の走査線と所定の相関を有する第２の走査線を選択し、前記第１および第２の走査線上の複数の一定幅の区間において、前記第１の走査線および前記第２の走査線の受信波形データ間の相関値を算出する走査線間相関算出部と、
前記複数の一定幅の区間のうち、前記相関値が第２の所定の値よりも低い区間において、前記信号強度判定部から出力された高強度位置に対応する位置を、特異領域が存在し得る候補位置として抽出する相関変化位置抽出部と、
前記複数の走査線の受信波形データから前記被検体の断層像を形成するために信号処理を行う画像処理部と、
を備え、
前記走査線間相関算出部は、前記複数の一定幅の区間のうち、前記信号強度判定部から出力された高強度位置に対応する位置を含む区間における相関値のみを算出する
ことを特徴とする信号処理装置。
被検体内部に弾性波のビームを走査して、複数の走査線の受信波形データを取得する振動子と、
前記複数の走査線の受信波形データから信号強度を算出し、算出した信号強度が第１の所定の値よりも高い位置を高強度位置として出力する信号強度判定部と、
前記複数の走査線から第１の走査線および前記第１の走査線と所定の相関を有する第２の走査線を選択し、前記第１および第２の走査線上の複数の一定幅の区間において、前記第１の走査線および前記第２の走査線の受信波形データ間の相関値を算出する走査線間相関算出部と、
前記複数の一定幅の区間のうち、前記相関値が第２の所定の値よりも低い区間において、前記信号強度判定部から出力された高強度位置に対応する位置を、特異領域が存在し得
る候補位置として抽出する相関変化位置抽出部と、
前記複数の走査線の受信波形データから前記被検体の断層像を形成するために信号処理を行う画像処理部と、
を備え、
前記信号強度判定部は、前記第１の所定の値よりも高い信号強度のうち、最も小さい信号強度を閾値信号強度として出力し、
前記走査線間相関算出部は、前記相関値に加えて、前記一定幅の区間に含まれる前記第１の走査線と前記第２の走査線の信号電力を算出し、
前記相関変化位置抽出部は、前記算出された信号電力および前記閾値信号強度を用いた所定の条件により選択された相関値のみを用いて得られた相関値の平均値と標準偏差を用いて、前記第２の所定の値を決定する
ことを特徴とする信号処理装置。
被検体内部に弾性波のビームを走査して、複数の走査線の受信波形データを取得する振動子と、
前記複数の走査線の受信波形データから信号強度を算出し、算出した信号強度が第１の所定の値よりも高い位置を高強度位置として出力する信号強度判定部と、
前記複数の走査線から第１の走査線および前記第１の走査線と所定の相関を有する第２の走査線を選択し、前記第１および第２の走査線上の複数の一定幅の区間において、前記第１の走査線および前記第２の走査線の受信波形データ間の相関値を算出する走査線間相関算出部と、
前記複数の一定幅の区間のうち、前記相関値が第２の所定の値よりも低い区間において、前記信号強度判定部から出力された高強度位置に対応する位置を、特異領域が存在し得る候補位置として抽出する相関変化位置抽出部と、
前記複数の走査線の受信波形データから前記被検体の断層像を形成するために信号処理を行う画像処理部と、
を備え、
前記複数の一定幅の区間の中に、前記相関変化位置抽出部により抽出された候補位置が含まれる区間が存在する割合が、第３の所定の値を超えるかどうかを判定する相関変化継続性判定部をさらに備える
ことを特徴とする信号処理装置。
前記第３の所定の値が５０％以上の値である
ことを特徴とする請求項３に記載の信号処理装置。
前記相関変化位置抽出部は、前記走査線間相関算出部により算出された相関値の平均値と標準偏差を用いて前記第２の所定の値を決定する
ことを特徴とする請求項１、３または４に記載の信号処理装置。
前記所定の条件は、前記閾値信号強度に１を超える数を乗じた値である
ことを特徴とする請求項２に記載の信号処理装置。
前記第１の所定の値は、算出した信号強度のうち上位から１０％の値である
ことを特徴とする請求項１から６のうちいずれか１項に記載の信号処理装置。
前記第２の所定の値は、算出された相関値の平均値から標準偏差の１倍以上３倍以下の値を減じた値である
ことを特徴とする請求項１から７のうちいずれか１項に記載の信号処理装置。
前記第１の走査線と前記第２の走査線との所定の相関とは、前記第１の走査線と前記第
２の走査線との相関値が０．５以上である
ことを特徴とする請求項１から８のうちいずれか１項に記載の信号処理装置。
前記第１の走査線と前記第２の走査線は隣接している
ことを特徴とする請求項１から９のうちいずれか１項に記載の信号処理装置。
前記画像処理部は、前記候補位置を、前記被検体の断層像に重畳して表示する
ことを特徴とする請求項１から１０のうちいずれか１項に記載の信号処理装置。
前記候補位置に送信フォーカスが合うように送信ビームが形成され、当該送信ビームに基づく受信波形データが前記走査線間相関算出部による相関値の算出に用いられる
ことを特徴とする請求項１から１１のうちいずれか１項に記載の信号処理装置。
前記特異領域とは、被検体内部で弾性波に対して高反射体となっている領域である
ことを特徴とする請求項１から１２のうちいずれか１項に記載の信号処理装置。
前記特異領域とは、当該特異領域を球の形状で近似した場合に直径が２ｍｍ以下となる石灰化した領域である
ことを特徴とする請求項１３に記載の信号処理装置。